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同学们好

这节课我们学习理论循环热力参数

对循环热效率的影响

以及理论循环分析

对发动机节能的指导意义

依据混合循环热效率的计算公式

我们知道影响理论循环热效率的

热力参数有四个

他们分别是压缩比 等熵指数

预膨胀比和压力升高比

这幅图给出了压缩比和等熵指数

对等容循环循环热效率的影响规律

从图中我们可以看出

随着压缩比增大 热效率增大

比如压缩比从8增加到12

热效率可以提高10%到15%

但是当压缩比超过20以上

继续增大压缩比

热效率增加并不明显

此外压缩比增加太高

会造成机械摩擦损失增大

因此压缩比不是越大越好

从图中我们还可以看出

增大等熵指数热效率也会增加

等熵指数实际上反映了

工质热力特性对热效率的影响

等熵指数比如从1.2增加到1.4

热效率可以增加40%

因为当吸热量和压缩比不变的时候

等熵指数增大意味着比热容减少

燃烧放出来的热量

使得工质的温升增加

所以热效率会增加

等熵指数1.2相当于发动机高温燃气工质

等熵指数等于1.4相当于常温空气工质

因此采用低温稀燃方式

能大幅度提高热效率

这幅图给出了预膨胀比和压力升高比

对混合循环热效率的影响

那么这里压缩比是8.5 等熵指数是1.4

预膨胀比和压力升高比

分别反映了混合加热循环中

等容加热量和等压加热量两个直观参数

当预膨胀比等于1的时候

混合加热变为等容加热

热效率不随压力升高比变化

也就是说压力升高比

对等容循环的热效率是没有影响的

这跟我们前面介绍的等容循环效率

得出来的结论是一样的

当压力升高比等于1的时候

混合加热循环变为等压加热循环

热效率随预膨胀比增加而减小

在预膨胀比和压力升高比大于1的

混合加热循环条件下

当预膨胀比保持不变

随压力升高比增大

热效率略有增加

而当压力升高比增大到一定值

比如大于3以后

热效率几乎不再增加

当压力升高比保持不变

预膨胀比增大

热效率显著减少

这说明在混合循环中

预膨胀比的影响更大

也更关键

因此为了提高热效率

应该尽量减少等压加热比例

尽可能增加等容加热比例

从以上分析可以看出

往复活塞式内燃机的

理想循环是等容循环

这时预膨胀比等于1

而实际的热机循环一般都是混合循环

其预膨胀比大于1

预膨胀比反映了燃烧加热

远离上止点加热的程度

预膨胀比越大

远离上止点加热的程度也越大

为了更直观的反映燃烧加热过程

接近上止点等容加热的程度

我们基于等容循环加热时刻

对热效率影响的分析

给出等容度的概念和表达式

这幅图给出了三种

不同加热时刻的等容循环

其中1-2-3-4循环

是在上止点等容加热

1-2*-3*-3'-4*-1循环

是在上止点前（口误）等容加热

1-2-2*-3*-4*-1循环

是在上止点后等容加热

在温熵图上对比分析

这三种等容循环的放热量Q2就会发现

在加热量Q1不变的条件下

如果偏离上止点加热

不管是在上止点之前

还是在上止点之后

其等容放热量Q2都会变大

也就是意味着热效率会减小

这里我们用等容度来表示

等容加热时刻接近上止点的程度

可以用活塞在上止点的燃烧室容积Vc

与等容实际加热时刻

燃烧室容积Vcm之比

还可以用实际压缩比εm

与几何压缩比ε之比

热机循环的等容度一般都小于1

如果等容加热是在上止点之前

或者是上止点之后进行

则燃烧加热等容度会小于1

显然等容度和等容加热不是一回事

等容度包含了燃烧相位的概念

燃烧加热时刻对循环热效率有重要影响

下面我们揭示压缩比 热力参数

影响循环热效率的物理本质

如果发动机的等熵指数

压力升高比 预膨胀比不变

而单纯改变压缩比

在相同的初始压缩状态下

压缩比越大则压缩终了时的

压力温度也会越大

从温熵图可以看出

压缩终了温度越高

则相同加热量Q1条件下

加热过程的平均温度

Tm2也越高

循环散热量Q2小

意味着其“火用”也就是可用的能量越高

显然它的热效率也必然会高

如果发动机的压缩比和等熵指数不变

而压力升高比和预膨胀比变化

我们来看看压力升高比

和预膨胀比是如何影响热效率的

我们可以把任何循环都分割为若干个

具有相同加热量δQ1的微等容循环

如图所示

当δQ1趋于无穷小的时候

各微循环的热效率的算术平均值

就是整个循环的热效率

由于等容循环的热效率只与压缩比有关

而与压力升高比无关

所以等容加热段c-z'中的

各个微循环都具有相同的热效率

而在等压加热段z-z'中

微循环越往后其热效率越低

这是因为微循环越靠后

其实际压缩比越低

燃烧加热等容度也越低

以上分析表明

压力升高比和预膨胀比的影响

本质上还是体现在压缩比的影响上

也可以用以前提到的等容度

来进行解释

下面我们讨论理论循环

对改善动力和经济性的指导意义

理论循环模型

是体现发动机热力过程

最本质的模型

对理论循环热效率

有重要影响的参数

也是影响发动机动力经济性的关键参数

尽管理论循环模型简化

而无法满足发动机

实际热效率定量计算的要求

但它的定性指导作用

是其他模型无法取代的

理论循环的指导作用

主要体现在以下两个方面

第一：理论循环模型指出了

改善发动机动力经济性的基本原则和方向

具体表现在

一、在允许的条件下

尽可能提高发动机的压缩比

尤其是汽油机

二、合理组织燃烧

控制燃烧加热时刻和持续期

提高循环加热等容度

也就是通过减少循环的预膨胀比

和合理选择燃烧始点相位

使燃烧加热中心接近上止点

三、保证工质具有较高的等熵指数

比如采用稀燃混合气

第二：理论循环模型提供了

发动机之间

进行动力经济性对比的理论依据

首先我们看看同一机型

在不同加热模式下的热效率对比

对于同一机型

压缩比 等熵指数

以及加热量Q1均不变

分别做出等容加热循环

混合加热循环和等压加热循环的温熵图

这三种模式的压缩线是相同的

均为a-c线

由于等容线的斜率

比等压线的斜率要高

所以在相同加热量Q1的情况下

等熵膨胀线从左到右

依次是z1-b1曲线

z2-b2曲线和z3-b3曲线

因此放热量Q2必然是

等压循环最大 等容循环最小

混合循环居中

于是有等容循环的热效率

大于混合循环的热效率

大于等压循环的热效率

这一结论再一次说明

实现等容循环

是发动机提高循环热效率的有效途径

其次在汽、柴油具有相同加热量Q1

和相同最高爆发压力Pmax条件下

我们来比较等容、等压和混合加热

三种循环的热效率

见温熵图所示

始时加热终了的状态点z1、z2、z3

都落在等压的最高爆发压力曲线上

由于等容线加热线

它的斜率要高于等压加热线的斜率

所以在相同的加热量Q1条件下

压缩终了的温度必然是等压的温度

大于混合的温度

大于等容的温度

也就是等压的压缩比

大于混合压缩比

大于等容压缩比

放热量Q2必然是等压循环最小

等容循环最大

混合循环居中

由此我们可以得出结论

等压循环热效率

大于混合循环热效率

大于等容循环热效率

需要强调的是

在相同最高爆发压力的条件下

尽管我们得出了

等压循环的热效率

高于等容循环的热效率

但是这个主要原因

是由等压循环具有更高的压缩比造成的

这并不意味着

实现等压循环

是内燃机提高热效率的途径

最后我们比较一下

汽、柴油机负荷变化

也就是燃烧加热量Q1不同

循环热效率有何差异

柴油机由于是喷雾压燃

边喷油边燃烧

当负荷下降的时候

整个喷油时间缩短

但初期也就是滞燃期燃烧加热部分

即相当于等容燃烧部分变化不大

这相当于压力升高比基本不变

而预膨胀比减小

热效率有较大提高

汽油机则是点火后火焰传播燃烧

负荷下降后由于进气充量减少

残余废气增多

燃烧的温度有所降低

使得火焰传播速度降低

燃烧时间加长

这相当于压力升高比下降

而预膨胀比上升

显然这时热效率随负荷下降而下降

汽、柴油机的这种反向变化趋势

使得两者在中低负荷时的

燃料消耗率差距进一步扩大

这一结论与实际情况是相符的

在标定工况下

柴油机有效燃油消耗率

比汽油机要低15%到25%

而在中低负荷工况

柴油机燃油消耗率

比汽油机要低30%到50%

当然部分负荷形成的

燃油消耗率差距扩大

还有其他因素

比如汽油机在中低负荷运行时

节气门造成的泵气损失会增大

但正是基于理论循环的上述分析

我们才阐明了

汽、柴油机燃料消耗率

出现差异的最本质的原因

关于理论循环

热力参数对循环热效率的影响

以及理论循环分析

对发动机节能的指导意义

就介绍到这里

同学们 再见